一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法
【专利摘要】本发明具体涉及一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法。本发明首先确定支撑球罐的各个支柱的支柱推算摩擦力，然后根据有限元数值模拟方法，计算各个支柱底部在不同摩擦力、不同温度情况下，当球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用极限时的位移量，最后将得到的支柱推算摩擦力f′代入第二步得到的结果，得到支柱推算摩擦力f′与支柱底部位移量之间的对应关系，再根据支柱推算摩擦力f′与支柱底部位移量之间的对应关系对各个支柱在整体热处理过程中进行移动。本发明是通过对大型球罐整体热处理过程中的有限元数值模拟计算，以保证整个热处理过程的安全性为原则，而制定出的一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法。
【专利说明】一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于大型球罐的支柱移动【技术领域】，具体涉及一种大型球罐整体热处理过 程中的支柱移动方法。
【背景技术】
[0002] 球罐在焊接制造过程中，焊接金属的冷却收缩以及整个焊接区域的不均匀加热和 冷却，会在焊缝附近产生很大的残余应力，有时甚至达到屈服应力的水平。在这种情况下， 若球罐中的储存介质中含有腐蚀介质或球罐所用钢材具有延迟裂纹倾向特性时，球罐使用 过程中容易在焊缝区形成裂纹，这将大大缩短球罐使用寿命，并可能造成环境和人身伤害。
[0003] 研究表明，有效的焊后热处理可以大幅度降低焊接残余应力。现行钢制球形储罐 标准GB12337-1998规定，球罐在以下五种情况下需进行焊后热处理：1)设计图样要求进行 焊后热处理的球罐；2)厚度大于32mm (若焊前预热KKTC以上时，厚度大于38mm)的Q245R、 Q345R、Q370R和07MnMoVR钢制球罐；3)低合金钢材料制造的焊接接头厚度大于16mm的低 温球罐；4)有应力腐蚀倾向的球罐，如盛装液化石油气、液氨等的球罐；5)盛装毒性为极度 或高度危害介质的球罐。
[0004] 焊后热处理对于温度的均匀性及升温、降温速度都有严格的要求。目前，国内对 7000m3以下的球罐热处理有比较丰富的经验，而对于超过7000m3以上的大型球罐热处理目 前只有极少数的试验性案例。球罐的高参数、大型化是未来发展的方向，而攻克大型球罐热 处理技术的难点是其关键之一。
[0005] 大型球罐自身重量大，制造误差控制难度大，且对其进行热处理的经验极其缺乏， 在球罐热处理的过程中，随着温度的上升，材料物理性能的下降，球罐很可能在自身重力、 支柱摩擦力、温差的影响下产生破坏。因此，对于大型球罐的整体热处理，在解决温度均匀 性、温升、温降等技术难点的同时，对球罐在热处理过程中安全性的考虑也十分重要，需要 在热处理之前制定详细的应对计划。工程上减小球罐热处理过程中的应力水平，一般主要 是通过移动支柱的方法。因此，如何根据具体的情况通过分析计算而制定一套合理的支柱 移动方案，是本领域技术人员所迫切需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决现有技术中所存在的上述不足之处，通过对大型球罐整体热处理 过程中的有限元数值模拟计算，以保证整个热处理过程的安全性为原则，而制定出的一种 大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0008] -种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法，其包括如下步骤：
[0009] Sl、确定支撑球罐的各个支柱的支柱推算摩擦力
[0010] 1)根据有限元数值模拟方法，计算球罐在某一设定温度状况下时，支柱底部在不 同摩擦力作用下所对应的支柱底部位移量，得到此设定温度状况下球罐支柱底部摩擦力与 支柱底部位移量的对应关系；
[0011] 2)实际测量当球罐加热到所述设定温度状况下时的各个支柱底部的位移量，然后 根据步骤Sl中1)的支柱底部摩擦力与支柱底部位移量的对应关系，得到球罐各个支柱底 部在所述设定温度状况下的所对应发生的支柱推算摩擦力f';
[0012] S2、根据有限元数值模拟方法，计算各个支柱底部在不同摩擦力、不同温度情况 下，当球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用极限时的位移量
[0013] 1)用有限元数值模拟方法计算出球罐在整体热处理过程中，在不同温度状况下， 支柱底部摩擦力从零不断增大过程中的支柱底部位移量；设若当球罐自重均布在各个支柱 上时，任一支柱底部摩擦力即支柱均布摩擦力为f，则所述支柱底部摩擦力在从零不断增大 的过程中按照支柱均布摩擦力f的倍数施加；
[0014] 2)用有限元数值模拟方法计算出球罐在整体热处理过程中，在不同温度状况下， 支柱底部摩擦力从零不断增大的过程中，球罐中的一次应力与二次应力之和的最大值与支 柱底部摩擦力的对应关系，然后找出在不同温度状况下，球罐中的一次应力与二次应力之 和达到许用极限时所对应的支柱底部摩擦力的大小；
[0015] 3)根据步骤S2中1)和2)的计算结果，得到在不同温度状况下，球罐中的一次应 力与二次应力之和达到许用极限时，不同的支柱底部摩擦力与支柱底部位移量之间的对应 关系；
[0016] S3、将步骤Sl中得到的支柱推算摩擦力f'代入步骤S2中3)得到的不同温度状 况下，球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用极限时，不同的支柱底部摩擦力与支柱 底部位移量之间的对应关系，得到不同温度状况下，球罐中的一次应力与二次应力之和达 到许用极限时，所述支柱推算摩擦力f'与支柱底部位移量之间的对应关系。
[0017] 当得到所述支柱推算摩擦力f'与支柱底部位移量之间的对应关系后，可以根据 支柱推算摩擦力f'与支柱底部位移量之间的对应关系对各个支柱在整体热处理过程中进 行移动。
[0018] 优选的，步骤Sl中的设定温度为200°C。
[0019] 优选的，步骤S2中的不同温度状况至少包括100°c、20(rc、30(rc、35(rc、40(rc、 450°C、500°C、550°C和600°C九个温度下的有限元数值模拟计算过程；
[0020] 当球罐中的某个支柱因支柱底部摩擦力较大，而致使支柱从上述较低温度点上升 到相邻较高温度点的过程中不能自行移动时，需进行应力校核，以保证当球罐达到所述较 高温度点时，因支柱不能自行移动而仍然停留在较低温度点所对应的支柱底部位移量时， 球罐中的一次应力与二次应力之和不超过许用极限，应力校核方法如下：
[0021] 设某一支柱的支柱推算摩擦力f'，任意较低温度点Ti和相邻较高温度点Ti+1，较 低温度点Ti下对应的支柱底部位移量为UXi,当需要对球罐进行应力校核时，输入有限元模 型中的边界条件为温度Ti+1，支柱底部位移量仍然为UXi,计算球罐中的一次应力与二次应 力之和，并将球罐中的一次应力与二次应力之和与许用极限进行对比；
[0022] 当校核出现未通过的情况时，在任意较低温度点Ti和相邻较高温度点Ti+1之间增 加温度点Ti+/，并根据步骤S3计算得出此温度点Ti+/所对应的支柱底部位移量，然后再 按上述的应力校核方法进行重新校核，直到应力校核通过为止，然后在球罐整体热处理过 程中，在所述温度点Ti+/处相对应的增加人工移动支柱次数。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 1)、在对球罐进行整体热处理时，为了使球罐不被破坏，应当将球罐的应力水平限 制在许用极限以下，但是在整体热处理过程中难以对球罐的应力水平做到实时监测，由于 球罐的应力水平与球罐支柱底部所承受的摩擦力有对应关系，因此可以通过对支柱底部摩 擦力的监测而得到对球罐应力水平的实时监测；但是，支柱底部摩擦力也难以做到实时监 测，因此本发明首先通过有限元数值模拟方法计算得出某较低温度状况下球罐支柱底部摩 擦力与支柱底部位移量的对应关系，然后通过将球罐加热到此较低温度状况，实际测量支 柱底部位移量而得到每一根支柱的推算摩擦力，再由此推算摩擦力而实现对热处理过程中 的球罐应力水平的实时监测，不但方便简单，而且对应关系稳定，移动效果好。
[0025] 2)、本方法在考虑球罐总重量（包括球罐自身重量、附件重量、保温层重量）以及 球罐各支柱承重不均的情况下，通过有限元数值模拟方法分析球罐在热处理过程中随温度 上升时球罐应力水平和支柱底部位移量的变化，并在依据JB4732-1995《钢制压力容器-分 析设计标准》对球罐热处理过程应力评定的基础上制定出球罐在整个热处理过程中支柱的 移动方案。本发明所提供的支柱移动方法可以避免大型球罐在现场整体热处理过程中因 过高的自重、过大的热膨胀以及结构的不连续性所产生的高应力而对球罐自身结构造成破 坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为有限元计算模型图。
[0027] 图2为KKTC时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0028] 图3为200°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0029] 图4为300°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0030] 图5为350°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0031] 图6为400°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0032] 图7为450°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0033] 图8为500°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0034] 图9为550°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0035] 图10为600°C时随支柱底部摩擦力增大，支柱底部位移量及球罐中一次应力和二 次应力值之和的对应关系图。
[0036] 图11为不同温度点下，球罐中一次应力和二次应力值之和与支柱底部摩擦力之 间的对应关系图。
[0037] 图2?10中，横坐标为支柱底部位移量，单位为mm ;纵坐标为应力，单位为MPa ;图 中的方块表示球罐中一次应力和二次应力值之和，而圆点则表示球罐的应力许用极限值。
[0038] 图11中，横坐标为支柱底部所受摩擦力倍数即支柱均布摩擦力f?的倍数；纵坐标 为应力，单位为MPa。
【具体实施方式】
[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0040] 以某一台IOOOOm3球罐为例，制定其整体热处理过程中支柱移动方案。该球罐材 料为Q345R，球罐直径为26800mm，壁厚36mm，净重746215kg，支柱数量为14。
[0041] S1、确定支撑球罐的各个支柱的支柱推算摩擦力
[0042] 1)根据有限元数值模拟方法，计算球罐在200°C时，支柱底部在不同摩擦力作用 下所对应的支柱底部位移量，得到200°C时球罐支柱底部摩擦力与支柱底部位移量的对应 关系，参见表1 ;
[0043] 表I 200°C时球罐支柱底部所受摩擦力与支柱底部位移量关系对照表
[0044]
【权利要求】
1. 一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法，其包括如下步骤： 51、 确定支撑球罐的各个支柱的支柱推算摩擦力 1) 根据有限元数值模拟方法，计算球罐在某一设定温度状况下时，支柱底部在不同摩 擦力作用下所对应的支柱底部位移量，得到此设定温度状况下球罐支柱底部摩擦力与支柱 底部位移量的对应关系； 2) 实际测量当球罐加热到所述设定温度状况下时的各个支柱底部的位移量，然后根据 步骤S1中1)的支柱底部摩擦力与支柱底部位移量的对应关系，得到球罐各个支柱底部在 所述设定温度状况下的所对应发生的支柱推算摩擦力f'; 52、 根据有限元数值模拟方法，计算各个支柱底部在不同摩擦力、不同温度情况下，当 球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用极限时的位移量 1) 用有限元数值模拟方法计算出球罐在整体热处理过程中，在不同温度状况下，支柱 底部摩擦力从零不断增大过程中的支柱底部位移量；设若当球罐自重均布在各个支柱上 时，任一支柱底部摩擦力即支柱均布摩擦力为f，则所述支柱底部摩擦力在从零不断增大的 过程中按照支柱均布摩擦力f的倍数施加； 2) 用有限元数值模拟方法计算出球罐在整体热处理过程中，在不同温度状况下，支柱 底部摩擦力从零到不断增大的过程中，球罐中的一次应力与二次应力之和的最大值与支柱 底部摩擦力的对应关系，然后找出在不同温度状况下，球罐中的一次应力与二次应力之和 达到许用极限时所对应的支柱底部摩擦力的大小； 3) 根据步骤S2中1)和2)的计算结果，得到在不同温度状况下，球罐中的一次应力 与二次应力之和达到许用极限时，不同的支柱底部摩擦力与支柱底部位移量之间的对应关 系； 53、 将步骤S1中得到的支柱推算摩擦力f'代入步骤S2中3)得到的不同温度状况下， 球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用极限时，不同的支柱底部摩擦力与支柱底部位 移量之间的对应关系，得到不同温度状况下，球罐中的一次应力与二次应力之和达到许用 极限时，所述支柱推算摩擦力f'与支柱底部位移量之间的对应关系。
2. 根据权利要求1所述的一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法，其特征在 于：步骤S1中的设定温度为200°C。
3. 根据权利要求2所述的一种大型球罐整体热处理过程中的支柱移动方法，其特征在 于：步骤S2中的不同温度状况至少包括100°c、20(rc、30(rc、35(rc、40(rc、45(rc、50(rc、 550°C和600°C九个温度下的有限元数值模拟计算过程； 当球罐中的某个支柱因支柱底部摩擦力较大，而致使支柱从上述较低温度点上升到相 邻较高温度点的过程中不能自行移动时，需进行应力校核，以保证当球罐达到所述较高温 度点时，因支柱不能自行移动而仍然停留在较低温度点所对应的支柱底部位移量时，球罐 中的一次应力与二次应力之和不超过许用极限，应力校核方法如下： 设某一支柱的支柱推算摩擦力f'，任意较低温度点和相邻较高温度点Ti+1，较低温 度点下对应的支柱底部位移量为UXp当需要对球罐进行应力校核时，输入有限元模型中 的边界条件为温度Ti+1，支柱底部位移量仍然为UXp计算球罐中的一次应力与二次应力之 和，并将球罐中的一次应力与二次应力之和与许用极限进行对比； 当校核出现未通过的情况时，在任意较低温度点和相邻较高温度点Ti+1之间增加温 度点Ti+/，并根据步骤S3计算得出此温度点Ti+/所对应的支柱底部位移量，然后再按上 述的压力校核方法进行重新校核，直到压力校核通过为止，然后在球罐整体热处理过程中， 在所述温度点Ti+/处相对应的增加人工移动支柱次数。
【文档编号】G06F17/50GK104392059SQ201410713262
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】姚志燕, 李永泰, 江慧丰, 陈永东, 房务农, 郭春光, 于改革 申请人:合肥通用机械研究院